Лекція 2 гх роль живого

Лекція 2. ГЕОХІМІЧНІ АСПЕКТИ ВЧЕННЯ ПРО Живу речовину.

Прийнято вважати, що ще 4,5 міліардів років назад формування різних сплук хімічних елементів на планеті Земля відбувалося повністю за рахунок фізичних та хімічних процесів. Геологічні події на Землі 3,8 - 4,2 млрд.років перешкоджали виживанню навідь прокаріотичних організмів.
В подальшому еволюція геологічних та геохімічних циклів привела до зародження життя. Результати досліджень вказують на появу перших ознак життя 3,4 - 3,8 міліардів років назад.
Початок життя і, відповідно, початок еволюції бгх циклів, можно співвіднести з віком самих ранніх осадових порід, утворених у водному середовищі. Вважається, що перші осадові породи збереглися в районах Лимпопо (Півд.Африка), Ісуа (Гренландія), Варавууна (Австралія), Алдан (Азія).
З тих часів постійно збільшувалась роль біологічних процесів у перерозподілі хімічних елементів та їх зєднань.
Жива речовина - сукупність всієї маси організмів, що населяють планету в той або інший момент.
Жива речовина є обовязковим і найголовнішим компонентом біосфери, наряду з біогенною та біокосною речовиною.
Біосфера - це геологічна земна оболонка, охоплена життям і структурно організована цим життям.
Межі біосфери.
Оболонки Землі: екзосфера
термосфера (іоносфера)
мезосфера
стратосфера
____________________________________
тропосфера
гідросфера біосфера педосфера (едафосфера = грунтровий покрив)
кора вивітрювання літосфери
___________________________________
стратисфера (частина літосфери, утворена шаром осадових порід)
метаморфічна оболонка
гранітна оболонка
основна базальтова оболонка

Верхня й нижня межі сучасної біосфери позначені поширенням живих істот або слідами їхньої діяльності.
На висотах 1 - 8 км низька температура й низький атмосферний тиск пояснюють межу існуванню в природних умовах вищих тваринних і рослинних організмів. Спори залітають в атмосферу на висоти до 22 км. Часто цією межею й визначається верхня границя біосфери (тропопауза).
Нижній шар атмосфери (20 км) - тропосфера - належить біосфері.
Гідросфера вся, включаючи придонні води глибоководних жолобів (до 11000км), містить життя, й входить у біосферу.
Менш чітко виявляється нижня границя біосфери на материках.
Гранітний шар, навіть якщо прийняти, що його утворення відбувалося при участі організмів, відноситься не до сучасних, а до «колишніх - біосфер» за Ковдою. Бактерії, здатні до розмноження, виявлені в нафтових водах на глибині до 3 км.
Саме на таких глибинах виявлені пурпурні тіоново-кислі бактерії, що використовують вільний кисень, що виділяється при розкладанні води нафтових родовищ під впливом випромінювання радію. А також термофільні сульфатвідновлюючі бактерії, що існують при t~104°C.
Для остаточного рішення питання про нижню границю біосфери поки ще мало фактичного матеріалу.
Зараз можна вважати, що біосфера простирається від 22 км в атмосфері до 11 км в океані й 3 км у літосфері; максимальна потужність її 33 км.
Біосфера Землі - відкрита, складна, багатокомпонентна, саморегулювальна, пов'язана з космосом система живої речовини й мінеральних сполук, що утворює зовнішню оболонку планети.

Структурною одиницею біосфери є екосистема.
Екосистема - це взаємообумовлений комплекс живих і косних (неживих) компонентів, пов'язаних між собою обміном речовини й енергії (грецк.: bios - життя, gi -гео - земля, koinos загальний).
Екологічна система – будь-яка єдність, що включає всі організми на даній ділянці і взаємодіє з фізичним середовищем таким чином, що потік енергії створює чітко визначену трофічну структуру, видове різноманіття і кругообіг речовин (обмін речовинами і енергією між біотичної та абіотичної частинами) всередині системи (Одум).
В основі поняття лежить визначення академіка В. Н. Сукачьова- біогеоценоз - «сукупність на визначеному протязі земної поверхні однорідних природних явищ (атмосфери, гірської породи, рослинності, тваринного світу й світу мікроорганізмів, ґрунту й гідрологічних умов), що має свою особливу специфіку взаємодії цих складових її компонентів і певний тип обміну речовиною й енергією цих компонентів між собою й іншими явищами природи, що становить собою внутрішнє протиріччя, діалектичну єдність, що перебуває в постійному русі й розвитку».
У наш час терміни «біогеоценоз» і «екосистема» розглядаються як синоніми.
Але поняття «біогеоценоз», запропоноване В. Н. Сукачьовим і стосовно до наземних живих систем, має певні територіальні границі. («Біогеоценоз» - це екосистема в межах фітоценозу).
Поняття «екосистема» - безрозмірне й може включати простір будь-якої довжини від краплі води з живучими в ній мікроорганізмами до всієї біосфери в цілому. Таким чином, поняття «біогеоценоз» стосовно поняття «екосистема» - більш часне.
Однак на симпозіумі ЮНЕСКО по питанню про функціонування земних екосистем на рівні первинної продукції, що проходив у Копенгагені в 1965 році, домовилися про однакове значення цих двох термінів.
Отже, біогеоценози є частинами земної або водної поверхні, однорідної з погляду топографічних, мікрокліматичних, ботанічних, зоологічних, ґрунтових, гідрологічних і геохімічних умов. У цій системі круговорот речовин і потік енергії характеризуються певною інтенсивністю й спрямованістю.

Реальні розміри біогеоценозів на планеті варіюють досить широко: від декількох метрів (мікрозападини в степах і напівпустелях, піщані дюни і т.д.) до кілометрів (біогеоценози солончаку, солонцю, такира, однорідні ділянки степів, лісів і т.д.).
Вертикальні розміри біогеоценозів варіюють також досить широко: від декількох сантиметрів на скелях до декількох десятків метрів у тайзі або в тропічних лісах.
Біогеоценоз відносно стійкий у часі й термодинамічно відкритий відносно притоку й відтоку речовини й енергії.
Він має вхід енергії й різних речовин: сонячна енергія, мінеральні елементи гірських порід, атмосферні випадання, ґрунтові води.
А також і вихід енергії й біогенних речовин в атмосферу (тепло, кисень, вуглекислий газ і т.д.), літосферу (гумусові сполуки, мінерали, осадові породи) і гідросферу (розчинені біогенні речовини ґрунтових, озерних, річкових вод).
Саморегулювальний характер біосфери й біогеоценозів є результатом автокаталітичної властивості живої речовини, її здатності поглинати й обмінюватися речовинами, рости й розмножуватися.

Відправною точкою круговороту речовин є фотосинтез і створення фітобіомаси рослинами.
Потік енергії й речовини в біогеоценозі йде від рослин до травоїдних тварин, від останніх - до хижаків, потім до нижчих організмів і бактерій у ґрунті. Саме травоїдні «відкривають» харчовий ланцюг організмів-споживачів і руйнівників органічної речовини, створеної в процесі фотосинтезу.
Звідси - первинним джерелом їжі й енергії для харчового ланцюга організмів є фітомаса, створена рослинами.
Зоомасса - вторинний продукт. Тому розрізняють первинну й вторинну продуктивність біогеоценозів і ландшафтів
У харчовому ланцюзі організмів у біогеоценозі існує безперервний потік енергії. В процесі фотосинтеза засвоюється всього 2- 5 % сонячної енергій.
На кожній новій ланці трофічного ланцюга втрачається 50-90% енергії й біомаси, запасеної на попередньому етапі. Виникає так звана екологічна піраміда запасів енергії. Чим більше ланок у харчовому ланцюзі, тим вище екологічна піраміда й тим більше буде загублено енергії на кінцевій ланці.
Основним положенням енергетики екосистем є необоротність біоенергетичних процесів.
Тому по відношенню до екосистем не можна застосовувати вираз «кругообіг енергії», подібно тому як у біогеохімії й у ґрунтознавстві вираз про кругообіг речовин. Єдино правильний термін - «потік енергії», тому що енергія первинної біологічної продукції надалі тільки витрачається.
Для поповнення й поновлення біомаси в екосистемі необхідний постійний приток енергії ззовні, у той час як притоку атомів речовини може й не бути. Ті самі атоми можуть багаторазово циркулювати в біогеоценозі.

Біогеохімічні функції живої речовини
Жива речовина має винятково високу функціональну активність, пов'язану з її здатністю до розмноження та кількісного росту.
Цю властивість В.І. Вернадський назвав «напором життя».
Біогеохімічні функції живої речовини поширюються на всю планету й у планетному масштабі визначають основні хімічні прояви життя.
В.І. Вернадський хімічні прояви живої речовини в біосфері розділив на 5 груп біогеохімічних функцій.
1. Газові функції.
В. І. Вернадський писав, що всі гази, що утворюються в біосфері, дуже тісно зв'язані своїм походженням з живою речовиною, завжди біогенні й змінюються головним чином біогенним шляхом.
Серед газових функцій В. И. Вернадський виділив наступні, вказавши, що цей список далеко не повний.
1.1. Киснева – у результаті якої створюється основна маса вільного кисню на планеті. Виконавцями цієї функції є фотосинтезуючі організми.
2.1. Вуглекислотна - створюється біогенна вугільна кислота в результаті дихання тварин, життєдіяльності грибів, бактерій, рослин.
У той же час ці дві функції є стадіями єдиного біогеохімічного циклу вуглецю.
3.1. Озонна - генетично пов'язана з життям, так як озон - продукт з біогенного кисню. Біогенний кисень, переходячи в озон, охороняє життя від пагубної дії ультрафіолетового випромінювання.
4.1. Азотна - вільний азот тропосфери переважно створюється живою речовиною ґрунту.
Біогеохімічний цикл азоту й стадії азотної функції живих організмів:
I-стадія біологічної азотфіксації;
II -стадія амоніфікації;
III - стадія нітрифікації;
IV - стадія денітрифікації


5.1. Вуглеводнева - сотні й тисячі біогенних газів - вуглеводнів створюються живою речовиною. Всі запахи біосфери належать до їхнього числа- фітонциди, фермони. У хвойних лісах у сонячні дні кількість вуглеводнів у повітрі досягає декількох відсотків по вазі.
6.1. Водна – включає біогенний кругообіг води.
Стан рослинного покриву закономірно пов'язаний з вологістю повітря, вмістом води в ґрунті й більш глибокому підгрунті.
Рослини всмоктують воду із ґрунту й підґрунтя, знижують рівень ґрунтових вод і відіграють основну роль у круговороті води на нашій планеті. Але транспірація води рослинами - це тільки одна стадія біогеохімічного циклу води в біосфері.
Велика частини води, засвоєна рослинами, витрачається на фотосинтез. Процес фотосинтезу схематично можна виразити в наступному вигляді:
6СО2+11Н2О ( С6Н12О6+5Н2О+6О2 або СО2+4Н2О ( СН2О+3Н2О+О2
У фотосинтезі беруть участь вуглекислий газ і вода. В результаті фотосинтезу частина води розкладається на протони водню, електрони та кисень.
З 4 частин води повертається в середовище 3 частини, або 75%, а 1 частина, або 25%, незворотньо розкладається рослинами до атомарного О2 та протонів Н, які включаються до складу синтезованих вуглеводів, а отже частина води тимчасово вилучається із вологообігу.
Вода, що витрачається на фотосинтез з гідросфери, знову надходить у неї в процесі дихання (розкладання глюкози до СО2 та метаб. Н2О) й аеробного окислення.
Водна біогеохімічна функція живої речовини найбільше яскраво виражена в лісах суходолу, особливо тропічних, і знищення лісів веде до зміни цієї біогеохімічної функції живої речовини й до перебудови всього біогеохімічного круговороту води в біосфері.
7. 1. Сірководнева й сульфідна функції. Окислювально-відновна система сульфати - сульфіди відіграє велику роль у всіх ґрунтах, особливо в умовах лужної й нейтральної реакції середовища.
У присутності органічної речовини й при нестачі кисню при участі мікроорганізмів розвивається процес відновлення сульфатів до сірчистих металів Na2SO4 + 2С Na2S+2СО2.
Під дією вуглекислоти сірчисті метали розкладаються, утворюючи бікарбонати й карбонати лужних земель і лугів: Na2S + Н2СО3.Na2CO3 + H2S.
Сірководень, що утворився, надходить в атмосферу, розвивається процес десульфування або десульфації ґрунтового розчину, ґрунтових або глибинних підземних вод, що супроводжується поступовим зникненням сірчанокислих солей і підлужненням розчину.
Процеси десульфування спостерігаються в лукових солончакуватих ґрунтах, хлоридно-сульфатних солончаках, соляних грязях, торф'яних болотах, у донних відкладеннях застійних водойм, на полях зрошуваного рису при їхньому тривалому затопленні стоячою водою.
Доступ кисню й зниження рівня ґрунтових вод у період просихання перезволожених ґрунтів викликають зрушення окислювально-відновної системи у зворотному напрямку.
Інтенсивно розвиваються окисні процеси, причому як у результаті чисто хімічних реакцій, так і під впливом мікроорганізмів. У результаті в ґрунтах утворюються сполуки сірки, що окисляються надалі до сірчаної кислоти й сульфатів.

2. Окислювально-відновні.
В. І. Вернадський розрізняв дві протилежні біогеохімічні функції цієї групи. У природі вони перебувають у відомій кореляції й тісно пов'язані з історією вільного кисню.
1. окисна - окисляються більше бідні киснем сполуки (у ґрунті, у корі вивітрювання, у гідросфері): солі, закиси Fe, Mn, нітрити, H2S, N2 і т.д. Окисна функція виконується в основному бактеріями, переважно гетеротрофами;
2. відновна - виконується специфічними бактеріями й грибами, що спричиняють розвиток реакцій десульфування, денітрифікації, реакцій з утворенням сірководню, окислів азоту, сірчистих металів, метану, водню й т.д.
Більшість відомих і можливих окислювально-відновних систем у ґрунтах вивчені недостатньо. Д.С. Орлов перераховує окислювально-відновні системи, які частіше за інші зустрічаються в ґрунтах: Fe+3–Fe+2; CO2–CH4; NO3 -NО2–NH3; SO4–H2S; PO4–PH3; Mn+2–Mn+3–Mn+4; Cu+1–Cu+2; Co+2- Со+3.
У багатьох випадках перехід іонів у низьковалентні форми сприяє підвищенню їхньої геохімічної рухливості. Так, двовалентні форми іонів заліза й марганцю значно більш рухливі, чим високовалентні.
Низьковалентні сполуки азоту й сірки відрізняються летючістю.
Однак для урану, ванадію, молібдену, хрому найбільш розчинними й геохімічно рухливими є високовалентні окислені форми. Це приводить до істотних розходжень у ґрунтовій і геохімічній історії елементів, спричиняючи диференціацію їх у часі й просторі.

3. Біохімічні.
Ця група функцій різко відрізняється від інших тим, що центр її дії перебуває не в зовнішнім середовищі, а усередині організмів і найтіснішим чином пов'язаний з біохімічними процесами побудови організму й смерті. Саме ці функції найбільше яскраво характеризують різке розходження хімічного прояву живої речовини в порівнянні з косною матерією. По В. І. Вернадському, біохімічні функції в межах живої речовини розпадаються на дві:
1-а біохімічна - пов'язана з харчуванням, диханням, розмноженням організмів, які для або в результаті цього поглинають або виділяю різні речовини.
2-а біохімічна - пов'язана з постмортальним руйнуванням тіл живих організмів. При цьому відбувається ряд біохімічних перетворень: живе тіло -біокосне - косне.

Жива речовина бере активну участь у процесах вивітрювання, а постмортально органічна речовина є одним з найбільш важливих складових ґрунтів.
Щорічно в ґрунт надходить величезна кількість органічних речовин, тут вони через ряд перетворень трансформуються в специфічну ґрунтову органічну речовину - гумус.
Різний склад органічних сполук, що потрапляють у ґрунт, неоднакові ґрунтово-кліматичні умови, різна спрямованість і інтенсивність мікробіологічних процесів сприяють утворенню складної системи органо-мінеральних сполук.
Набір і склад органічних сполук, що надходять у ґрунти й беруть участь у біогеохімічних кругообігах, дуже великі.
- Головні джерела органічних сполук очевидні: це тіла, що відмирають, або частини тіл організмів - рослин і тварин, що живуть на тих або інших територіях;
- Другим джерелом можуть бути прижиттєві виділення тварин, що живуть на цій території;
- Третім - внесені при культурному використанні земель органічні добрива, деякі пестициди;
- Нарешті, можуть бути природні або техногенні виходи й розливи нафти, кам'яного вугілля. Органічні сполуки можуть надходити й у вигляді древісного вугілля в результаті лісових пожеж або не повністю згорілих органічних залишків.
Загальний набір органічних сполук, що потрапляють у ґрунти дуже великий. Найважливіше значення мають білки, вуглеводи, лігнін, жири, воски, смоли.
Головне в оцінці ролі органічних сполук - участь різних груп органічних сполук у гуміфікації й ґрунтоутворенні.
Перша, і дуже важлива група, - білки - природні високомолекулярні полімери, побудовані із залишків амінокислот, з'єднаних пептидним зв'язком --CO-NH-.
Кожний білок характеризується специфічною послідовністю амінокислот і індивідуальною просторовою структурою (конформацією). Різних білків дуже багато. Прості складаються тільки з амінокислотних залишкі, складні можуть включати іони металів, або пігменти, або ліпіди, або нуклеїнові кислоти й т.д.
При відмиранні будь-яких організмів білки попадають у ґрунт і можуть піддаватися наступним перетворенням:
- білки споживаються мікроорганізмами, або безхребетними й хребетними організмами, які у свою чергу після своєї смерті залишають білки, часто вже іншого складу;
- білки піддаються розкладанню (гідролізу) до пептидів або амінокислот;
- білки або їхні компоненти - амінокислоти - мінералізуються. Кінцевими продуктами при цьому будуть вода й аміак;
- частина білків, пептидів, амінокислот входить до складу гумінових речовин.
Вуглеводи - питання про біогеохімічну роль цих сполук вивчений дуже слабко. Мало конкретних матеріалів і для з'ясування їхньої участі в гумусових сполуках. Одна із причин у тім, що вуглеводи легко окисляються в ґрунтах і стають доступними різним мікроорганізмам, які їх охоче споживають і як джерело енергії і як будівельний матеріал.
У гідролізатах гумусових речовин виявляється досить багато сполук вуглеводної природи. Звичайно це гексози - 20-40% від суми цукрів, причому іноді до 60 % з них приходиться на частку глюкози. Пентози займають 4-9%, уронові кислоти - 5-20%.
Лігнін відноситься до числа найбільш важливих природних сполук, він відіграє важливу роль у біогеохімічних процесах і в ґрунтоутворенні.
Справа в тому, що в числі відомих природних органічних сполук лігнін відомий як один з найбільш стійких до розкладання, і його фрагменти зберігаються в природному середовищі довше інших. Імовірно, з ним за цієї властивості зрівнюється тільки хітин.
Термін «лігнін» походить від латинського lignum - дерево, деревина. Лігнін знаходиться в клітинних стінках і міжклітинному просторі рослин і скріплює целюлозні волокна. Від нього залежать проникність клітинних стінок для води й поживних речовин (лігнін її знижує), механічна міцність стовбурів і стебел.
З біогеохімічної точки зору лігнін цікавий тим, що це одна з найбільш стійких до розкладання органічних сполук, що надходять у ґрунт із рослинним спадом.
По-друге, дуже важливо те, що він містить бензольні ядра, що несуть ряд замісників водневих атомів.
Лігнін добре гуміфікується, хоча в ранній літературі можна зустріти твердження про те, що лігнін взагалі не піддається гуміфікації.
При розкладанні лігнін може утворювати різні мономери - найпростіші кислоти й феноли, бензойні кислоти, а також більш складні продукти розпаду, що містять по кілька ароматичних кілець.
Точно встановлено, що при гуміфікації лігніну в ньому падає вміст вуглецю: від 62-65 до 59-60%, зменшується й вміст водню. Частка метоксильних груп знижується від 11-12% до 5-6%, тобто відбувається деметилювання - один з найбільш важливих і характерних процесів. У той же час різко зростає кількість карбоксильних груп, накопичується й азот. У лігніні його немає або майже немає, а при гуміфікації частка азоту може зрости до 3-4%.
Все це дозволяє вважати лігнін одним з найбільш важливих джерел для утворення гумінових речовин.
Іноді говорять, що лігнін не може бути таким джерелом, оскільки в підзолистих ґрунтах гумінових речовин мало, а лігніну в рослинних залишках багато. І, навпаки, у степових рослинах лігніну мало, а гумінових речовин багато. Але в багаторічних травах лігніну 15-20%, а в деревних рослинах - 20-30%, тобто різниця не настільки вже велика, але зате щорічний опад у степах може значно перевищувати опад у лісах, і тому кількість лігніну в степових ґрунтах така ж або навіть вище, ніж у лісах.
Жири. Ця група сполук у ґрунтах вивчена настільки погано, що не має реальних відомостей про вміст тих або інших жирів у ґрунтах, про їхню трансформацію, долю й т.д. Хоча жири завжди є в залишках рослин, мікроорганізмів, тварин, і разом з ними постійно надходять у ґрунт.
Жири можуть гідролізуватися, утворюючи гліцерин і жирні кислоти. Звичайно, потрібні каталізатори, у ґрунті їх достатньо, зокрема, цю роль можуть виконувати шаруваті алюмосилікати, деякі оксиди.
Жири - активні компоненти ґрунтового гумусу, і їхня слабка вивченість обумовлена декількома причинами.
Одна з них - малий вміст жирів у рослинних залишках.
Друга - їх висока реакційна здатність, що спричиняє швидке розкладання й гарну засвоюваність мікроорганізмами. Має значення й активне хімічне розкладання під дією кисню повітря й світла.

У залишках рослин, тварин і мікроорганізмів є безліч інших груп органічних сполук, але відомостей про їхню долю в ґрунті, про ті перетворення, яким вони піддаються, про реакції, у яких вони беруть участь, порівняно мало.
Це стосується восків, смол, пігментів і т.д. Ці сполуки не менш важливі й відіграють певну роль у біогеохімічних явищах, але їхня фактична участь у конкретних біохімічних і хімічних процесах дуже мала й тому дуже погано вивчена.
Гумусові речовини. У ґрунтовому середовищі будь-які органічні залишки піддаються перетворенням двох різних типів: мінералізації й гуміфікації.
Будь-які органічні сполуки можуть у ґрунті й інших природних середовищах поступово розкладатися, утворюючи вуглекислий газ, воду, аміак. Останній, взаємодіючи з водою, утворить іон амонію. Звичайно, при цьому виникає ряд проміжних сполук: амінокислоти, поліпептиди, моносахариди й т.д. Всі вони можуть або розкладатися до кінцевих продуктів або утворювати деякі прості, перехідні форми сполук, які, в кінці кінців, приводять до формування гумінових речовин.
У цілому, 95-88% всіх рослинних залишків мінералізуються до кінцевих продуктів, і тільки невелика частка щорічного опада бере участь в утворенні власне гумусових речовин.
Склад ґрунтового гумусу динамічний. Він безупинно обновляється за рахунок розкладання й синтезу його компонентів. Але найбільш консервативна частина гумусу залишається незмінною тривалий час. Зберігаючи риси, властивому даному типу ґрунтоутворення, ця частина гумусу забезпечує стабільність всій системі гумусових сполук.
Гумінові кислоти мають близько 15 різних видів функціональних груп, але їхня реакційна здатність пов'язана з карбоксильними й фенолгідроксильними групами, водень яких може заміщатися іншими катіонами.
У ґрунті вільні гумінові кислоти присутні в надзвичайно малій кількості, звичайно вони активно взаємодіють із мінеральною частиною, утворюючи солі - гумати кальцію, магнію, натрію, амонію й т.д., складні внутрішьокомплексні сполуки з катіонами заліза й алюмінію, важких металів.
Гумінові кислоти і їх солі із двовалентними катіонами не розчиняються у воді, але розчиняються в лужних розчинах.
Зате розчиняються у воді гумати одновалетних катіонів, що відіграє важливу роль у ґрунтах з високим вмістом поглиненого натрію в складі ГПК (ґрунтово-поглинального комплексу).
Взаємодії іонів важких металів з гумусовими речовинами можуть бути описані як адсорбція на поверхні, хелатування, йонообмінні реакції, коагуляція й пептизація. Основними продуктами взаємодії є прості солі - гумати й фульвати важких металів, а також комплексні й внутрікомплексні (хелатні) металовмісні сполуки.
У комплексних сполуках іони металів розташовуються в аніонній частині гумусової молекули й у складі карбоксильної і фенольної груп при заміщенні в них протонів. В аніонній частині вони міцно закріплені, тоді як у функціональних групах здатні до дисоціації.
Про будову фульвокислот відомо значно менше, вони мають у порівнянні з гуміновими кислотами більше число карбоксильних і фенолгідроксильних груп
Фульвокислоти і їхньої солі добре розчиняються у воді, розчини мають сильнокислу реакцію (рн 2,6-2,8). Фульвокислоти мають більш високу здатність до комплексоутворюваня з іонами полівалентних металів у порівнянні з гуміновими кислотами, залишаючись у той же час більше рухливими.
За деяким даними, швидкість розчинення сполук важких металів із ГК вище, ніж аналогічних комплексних утворень із ФК. Проте, комплексні сполуки фульвокислот з металами активно мігрують у природних водах у таких фізико-хімічних умовах, у яких вільні катіони металів випадають в осад. Селективне з’єднання розсіяних металів з водорозчинними компонентами гумусу або з нерухливими гелями гумінових кислот має дуже важливе значення для залучення металів у міграційні потоки або, навпаки, виведення їх із циклів міграції й закріплення в ґрунті.
Таким чином, гумусові кислоти завдяки особливостям молекулярної будови активно впливають на міграцію й акумуляцію хімічних елементів у ґрунті й природних водах.

4. Концентраційні функції.
Концентраційні функції проявляються в здатності живих організмів накопичувати в своєму тілі хімічні елементи, поглинені вибірково з розсіяного стану з навколишнього середовища.
Жива речовина – сукупність організмів, яку можна виразити через масу та хімічний склад.
Саме маса та хімічний склад живої речовини дають можливість порівнювати живу речовину із інертними складовими гідросфери, атмосфери та літосфери.
Умовою порівняння є наявність даних про:
1) об`єм живої речовини або її масу;
2) вміст елементів у живій речовині;
3) селективність біологічного накопичення елементів різними організмами; 4) інтенсивність біологічного накопичення;
5) напрям масообміну речовин та енергії, що відображає їх кругообіг між компонентами довкілля.
Для розуміння процесів міграції та розподілу елементів використовуються фактори, що обумовлюють хімічний склад живої речовини:
- хімічний склад тіл живої речовини;
- хімічний склад компонентів довкілля;
- зовнішні та внутрішні фактори біогенної міграції хімічних елементів.

Елементарна одиниця живої речовини - клітина, в якій виявлено за окремими даними 104 елементи із періодичної системи Менделєєва.
Елементи входять до складу 2-х груп сполук – неорганічних (у клітині 85-90%) - вода, яка обумовлює можливість всіх фізіологічних процесів, солі - у дісоційованому стані катіони Na+, K+,Ca2+, Mg2+ та аніони – HPO4-, H2PO4-, Cl-, HCO3-, вміст яких збалансований та органічних (в клітині 7-10%) - білки, вуглеводи, жири, нуклеїнові кислоти, вітаміни, гормони.

Існує три варіанти для відображення хімічного складу будь-якої речовини або біологічного об'єкту:
1) сира біомаса; 2) суха біомаса; 3) зола або мінеральний залишок.
- Визначити хімічний склад сирої біомаси живої речовини методично не просто. Причина цього полягає у варіації органічних складових живої речовини, що ускладнює їх порівняння між собою та, відповідно, із складом речовини косної (інертної).
- Для зручності порівняння хімічного складу різних організмів або видів організмів використовують розрахунки вмісту елементів на абсолютно суху органічну речовину.
Суху органічну речовину отримують при висушуванні до постійної маси - коли органічна речовина зневоднена. Методично цього досягають при температурі 102-1050C, коли отримують умовно суху біомасу, що не має води, а вуглець знижується на 50%.
- Хімічний склад золи найближче до хімічного складу земної кори. Тому і порівняння їх методологічно визначається найдостовірнішим.
У кожному організмі обов`язково присутня певна кількість хімічних елементів, які при повному руйнуванні організму (випаровування води та спалювання органічної речовини до CO2 з вилученням O, H, N) утворюють мінеральний залишок – золу, що складається з зольних елементів. (Зольність рослин у середньому для розрахунків приймається 5%.)
Вміст зольних елементів у живій речовині – біогеохімічна ознака органічної речовини, бо сума зольних елементів – складний результат взаємодії організму з літосферою Землі.

Концентрація (або вміст) хімічних елементів у біологічних об`єктах здатна суттєво змінюватись в залежності від середовища знаходження, стадії розвитку організму та форми органічної тканини.
При розрахунках кларків живої речовини Землі враховується співвідношення видового складу живих організмів (вищі рослини за масою переважають над нижчими; в океані живої органічної речовини менше, ніж на суші).
У фітомасі континентів 60% приходиться на вуглеводи, 30% - лігнін, 5%- білки та ліпіди. Вважається, що біомаса тварин Землі складає менше 1% від біомаси рослин. Об`єм фітомаси Землі за період активного впливу людини скоротився на 25%.

Теоретичні та методичні основи вивчення хімічного складу живої речовини закладено О.П.Виноградовим.
Хімічний склад рослинного шару Землі за дослідженнями у сирій масі рослин суші на 99,7% (за А.В.Виноградовим, 1954р) та 98,77% (за Е.О.Романкевичем, 1988р) або 99,9% в перерахунку на золу складається з 14 головних елементів – вуглець, кисень, водень, азот, сірка, свинець, кальцій, калій, магній, натрій, хлор, алюміній, залізо, кремній.
Частину менше 1% складають 70 хімічних елементів у розсіяному стані, відносний вміст яких вимірюється у n*10-4 % їх біомаси. За масою у рослинах суші містяться Mn, Sr, Zn, Ti, B, Cu.
Хімічний склад живої речовини океану відрізняється високим вмістом води (близько 80%), азоту, сірки та зольністю, що досягає 40-50% сухої біомаси.
Вміст всіх хімічних елементів тут значно вище, особливо для фотосинтезуючих продуцентів - натрій, магній, хлор, сірка з головних та йод, бром, кадмій, цинк, срібло, ванадій з розсіяних.
Маса живої речовини океану становить менш 1 % маси рослинності Світового суходолу. Особливість структури живої речовини океану в тому, що маса консументів перевищує масу продуцентів фотосинтезуючих організмів. Згідно з даними Е. А. Романкевича (1988) сумарна маса тварин і бактерій Світового океану близька до 4,5- 109 т, маса рослин 3,5( 109 т. Переважну частину маси продуцентів океану становить фітопланктон.
Хімічний склад живої речовини суходолу й океану неоднаковий. Жива речовина океану відрізняється більш високим вмістом води ( близько 80 %), азоту й сірки, а також значно більшим вмістом зольних елементів, що становлять 40 50 % від сухої біомаси.
Середні значення концентрації хімічних елементів у живій речовині океану остаточно не визначені. За даними А.Романкевича (1988) середні значення головних елементів наступні (у відсотках сухої маси): С - 50,1; Н - 7,4; О - 29,1; N – 10,4; S – 2,0. Згідно Х.Боуэну в сухій біомасі водоростей міститься (у відсотках сухої маси): К 5,20; Na 3,30; Si – 2,0; S – 1,20; Са – 1,00; Mg – 0,52; С1- 0,47; Р – 0,35.
Таким чином, у рослинах океану в порівнянні з рослинністю суши значно вище концентрація майже всіх головних зольних елементів, особливо натрію й магнію, а також хлору й сірки.
Ще помітніше виражене перевищення концентрації багатьох розсіяних елементів. Так, у фотосинтезуючих організмах океану в сотні раз вище концентрація иоду й брому, у десятки раз деяких важких металів (кадмію, цинку, ртуті, свинцю, ванадію й ін.) і близьких їм полівалентних елементів (миш'яку).

Сьогодні ми маємо розрахунки середнього вмісту 44 елементів у надземних рослинах за Д.П.Малюгою, О.І.Перельманом та П.Л.Кенонном.
Хімічний склад кожного конкретного організму відрізняється від середніх показників хімічного складу живої речовини.
Ці відхилення обумовлені наступними факторами:
особливостями геохімічного середовища(хімічного складу компонентів довкілля).
біологічними властивостями організмів.
властивостями хімічних елементів, що поглинаються.

1. Хімічний склад живої матерії залежить від хімічного складу компонентів довкілля.
За О.П.Виноградовим: концентрація хімічних елементів у живій речовині прямо пропорційна їх вмісту у середовищі знаходження із врахуванням розчинності сполук.
У 40-50х роках він досліджував елементний склад тварин та рослин та середовища їх знаходження.
Він відмічав велику різницю між величезними концентраціями Al, Si, Ti у земній корі та живій речовині. Причину цього він бачив у тому, що ці елементи входять до складу важкорозчинних сполук.
Навпаки С, I, N, P, K, Ca, Na легко утворюють газові та водорозчинні сполуки – при низьких концентраціях у довкіллі вони накопичуються в організмах за рахунок високої рухомості.
Всі живі організми за О.П.Виноградовим на 99% складаються з 12 найбільш розповсюджених елементів – з перших 20 елементів таблиці Менделєєва.
Це головні “структурні” елементи, що у великій кількості знаходяться у біосфері.
Крім них є мікроелементи – з 92 елементів 81 елемент знайдений в організмі людини (за А.П.Авциним), 15 з яких є есенціальними, тобто життєво необхідними, а 4 – кандидати на есенціальність (Cd, Pb, Sb, Rb).

2. Часто хімічний склад рослини визначається біологічними особливостями виду (роду) й фізіологічною роллю цього елемента.
Геохімічне середовище при цьому не є лімітующим чинником і тому в рослині спрацьовують механізми регуляції поглинання елемента. Велику роль при цьому відіграє присутність у середовищі інших елементів, їх кількісне співвідношення й взаємини.
Ковалевский розділив рослини за типом поглинання хімічних елементів на безбар’єрні й бар'єрні.
У золі безбар'єрних рослин вміст елементу росте пропорційно вмісту його в середовищі (у ґрунті).
У бар'єрних рослинах є поріг концентрації, вище якого рослина припиняє поглинати елемент, незважаючи на збільшення його вмісту в середовищі (ґрунту).
Бар'єрні види рослин підрозділяють на низько-, середньо- і високо бар'єрні.
Безбар'єрні організми не мають цих механізмів регуляції надходження хімічних елементів, і тому вони можуть існувати в середовищі, що містить якусь певну кількість елементів.
У такий спосіб одні рослини концентрують хімічні елементи в більших кількостях, інші - у менших, треті не накопичують їх взагалі.
Здатність виду накопичувати певну кількість хімічного елемента, виражена в сумарних кларках концентрації називають біогеохімічною активністю виду.
Відповідно до історично складеного типу обміну речовин та енергії, рослини вибірково поглинають переважно необхідні їм елементи у кількостях, відповідних їх фізіологічним та біохімічним потребам.
За коефіцієнтом біологічного поглинання (коефіцієнт біологічного накопичення - показує, у скільки разів вміст елементу в золі вище, ніж у літосфері (в породі, ґрунті)) О.І.Перельман розділяв хімічні елементи у ряд біологічного поглинання, розділивши елементи на: 1) елементи біологічного накопичення; 2) елементи біологічного захвату.
Таблиця 1- Ряди біологічного поглинання (за О.І. Перельманом)
Елементи
Інтенсивність накопичення
Коефіцієнти біологічного поглинанняя Ах



100 n
10 n
1 n
0,1 n
0,1n-0,001n

Біологічного накопичення
Енергійного
Р, S, Cl, Br, J






Сильного

Са, Na, Sr, Zn
K, Mg, B, Se



Біологічного захвату
Слабкого накопичення та середнього захвату


Mn, F, Ba, Ni, Сu, Ga, Co, Pb, Sn, As, Мо, Hg, Ag, Ra



Слабкого та дуже слабого захвату



Si, Al, Fe, Ti, Zr, Rb, V, Cr, Li, Y, Nb, Th, Sc, Be, Cs, Та, U, W, Sb, Cd

Значення Ах та, відповідно, послідовність елементів можуть змінюватись у широких інтервалах в залежності від виду рослин, кліматичної зони, ґрунтових умов, фізико-географічних умов.
За А. П. Виноградовим, елементний хімічний склад організму зберігає ознаки свого походження. Він припустив, що види рослин і тварин, що накопичують Na і С1, сформувалися на засолених в минулому територіях, а рослини, аномально багаті кремнієм (злаки, наприклад), можливо, спочатку виростали на легких, можливо, вулканічних ґрунтах. Представники родів субтропічної флори, багаті алюмінієм, очевидно, еволюціонували на латеритах.

Всю розмаїтість концентраційних функцій живої речовини В. І. Вернадський звів до двох великих груп: концентраційні функції I роду й концентраційні функції II роду.
Концентраційні функції I роду - виявляються живою речовиною стосовно тих 14 хімічних елементів, сполуки яких зустрічаються в тілі всіх без винятку живих організмів (Н, С, N, О, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Fe).
Концентраційні функції II роду - спостерігаються при вибірковій концентрації організмами певних хімічних елементів, які можуть в інших живих організмах не зустрічатися або перебувати в низьких концентраціях.
Організми, які вибірково накопичують один або кілька хімічних елементів, називають організмами-концентраторами.
В. І. Вернадський, вивчаючи концентрацію II роду, розділив всі живі організми на три групи.
- Організми звичайні за елементом - при концентрації елемента організмом у межах n х 10-1 – n х 10-2 і нижче.
- Організми, багаті на той чи інший елемент, - при збільшенні більш ніж на 10 відносних відсотків вагового середнього вмісту даного елемента в організмі в порівнянні із середнім вмістом його в навколишнім середовищі.
- Організми-концентратори – містять концентрацію елемента в кількості, що складає більше 10% ваги організму або його атомного складу.
Наприклад, водорість ламінарія накопичує в собі йоду до 1%, тобто в кількостях, у мільйон разів переважаючих вміст цього елемента в навколишнім середовищі. Настільки ж велика здатність голотурій до нагромадження ванадію.
Розрізняють наступні організми-концентратори: воднево-кисневі та вуглеводневі, азотні й натрові, магнієві й алюмінієві, кремнієві й фосфорні, сірчані й кальцієві, залізисті.
Відомі рослини-концентратори важких металів - лишайники, мохи, стосовно калію до рослин – концентраторів відносяться: картопля й соняшник; бобові - концентратори кальцію; злаки - кремній; чай, плауни - алюміній; галофіти - натрій, хлор; мохи - залізо; водорості - йод.
Представники тваринного світу також можуть виступати концентраторами. Наприклад, молюски, корали, форамініфери віддають перевагу кальцію; губки, діатомові водорості, радіолярії - кремнію; раки, павуки - міді.
Але особливо вибірково накопичують ряд хімічних елементів деякі мікроорганізми, перевищуючи тим самим у сотні разів вміст цих елементів у середовищі (сіркобактерії, залізобактерії й т.д.).

3. Поглинання хімічних елементів рослинами обумовлене не тільки біологічними особливостями й геохімічним середовищем, але й властивостями хімічних елементів, що поглинаються.
У природі часто виникають такі ситуації, коли в розчині міститься значно більше якого-небудь хімічного елемента (одного або декількох), чим потрібно рослині, і навпаки.
Хімічний елемент, що знаходиться в кількості недостатній для нормального розвитку рослини, називається дефіцитним.
Додавання рухливих форм дефіцитних елементів у середовище збільшує продукцію живої речовини. У різних умовах до дефіцитних елементів найчастіше належать O, N, P, К, F, В, I, Си й багато інші мікроелементи. У більшості випадків бракує саме рухливих форм, хоча валовий вміст елемента в ґрунті може бути досить високим. Це обумовлене впливом зовнішніх факторів геохімічного середовища: його кислотністю (лужністю), величиною окисно-відновного потенціалу, присутністю інших елементів.
Надлишок елементів у геохімічному середовищі також може стримувати розвиток рослин і знижувати їхню врожайність, виникають неінфекційні фітопатології у рослин чи мікроелементози у тварин.
Елементи, видалення яких із середовища збільшує продукцію живої речовини, називаються надлишковими. Найчастіше це: Cl, S, Na, Си, Ni, Fe, F, A1 і ін.
Той самий елемент може бути дефіцитним в одних умовах і надлишковим в інших.
Надлишком або недоліком тих або інших хімічних елементів у природному середовищі обумовлений прояв біогеохімічних ендемій.
Іноді це може бути прямий вплив хімічного елемента, але в більшості випадків ендемії пов'язані з порушенням співвідношення вмісту мікроелемента з іншими хімічними елементами. У наш час відносно добре вивчений взаємний вплив мікроелементів: Со–Сu–Мn; Сu–Мо–Рb; N–Сu; Мо–Сu.(див. приклади в 1 лекції).

В 1938 році Виноградовим був уведений у науку термін «біогеохімічна провінція» це область на поверхні Землі, що відрізняється вмістом хімічних елементів у ґрунтах, водах і інших середовищах.
Причому, вміст цих елементів може бути вище або нижче біологічного оптимуму, тому можна сформулювати наступні положення.
Біогеохімічні провінції зі зниженим вмістом окремих елементів пов'язані з особливостями складу ґрунтоутворюючих порід або інтенсивним проявом елювіального процесу.
Біогеохімічні провінції з підвищеним вмістом елементів формуються в розташуванні рудних родовищ, у районах акумулятивних ландшафтів. Підвищені концентрації можуть бути обумовлені викидами великих промислових підприємств і забруднюючим впливом мегаполісів.

Всі ці ознаки довкілля узагальнюює поняття геохімічного ландшафту – території, яка однорідна за умовами міграції хімічних елементів.
Вчення про ґрунтово-геохімічні ландшафти створено працями ряду вчених, багато з яких - учні Б.Б. Полинова. Це М. А. Глазовська, В. В. Добровольський, В. А. Ковда, А.І.Перельман і ін.
Слово «ландшафт» - німецького походження land - земля, schaft - суфікс, що виражає взаємозв'язок, взаємозалежність.
Під ландшафтом розуміють конкретну територія, однорідну за походженням й історією розвитку, що має єдину геологічну основу, однотипний рельєф, однакову комбінацію ґрунтів і рослинності й відмінна від інших територій структурою, характером взаємозв'язків й взаємодії між окремими компонентами цієї території.
В основу класифікації ландшафтів покладені принципи геохімічної міграції елементів, а також поняття про елементарний ландшафт, уведене в науку Б.Б.Полиновим.
Елементарний геохімічний ландшафт, по Б. Б. Полинову, - це певний елемент рельєфу з однорідними породами, ґрунтами, рослинним покривом. Таким чином, термін «елементарний ландшафт» дуже близький до поняття «біогеоценоз, екосистема».
Згідно Б. Б. Полинова всі елементарні ландшафти суходолу за умовами міграції хімічних елементів можна об'єднати в три групи.
Елювіальні ландшафти - розташовуються на підвищених елементах рельєфу, характеризуються гарним дренажем і глибоким заляганням ґрунтових вод, виносом речовини низхідними потоками вологи.
Виділяють 4 підтипи елювіальних ландшафтів: власне елювіальні, транселювіальні, транселювіально-акумулятивні, елювіально-акумулятивні (М. А. Глазовська).
Супераквальні (надводні) ландшафти - приурочені до знижених елементів рельєфу.
Ґрунтові води розташовуються близько до поверхні й значно впливають на ґрунт і рослини. Тут спостерігається часткова акумуляція елементів, привнесених як ґрунтовими водами, так і з елювіальних ландшафтів.
Субаквальні (підводні) ландшафти - утворюються на дні водойм і являють собою зону акумуляції речовин.
Парагенетична асоціація елементарних ландшафтів (елювіального, супераквального й субаквального), які сполучені в межах тієї або іншої території, по визначенню А. І. Перельмана, утворює геохімічний ландшафт.
Елементарні ландшафти зв'язані в геохімічному ландшафті міграційними потоками речовини.
А. І. Перельман розробив геохімічну класифікацію ландшафтів, основні таксономічні одиниці в цій класифікації наступні.
Найбільш великий класифікаційний підрозділ – ряди ландшафтів, відрізняють за формою руху матерії.
Ряди підрозділяються на групи ландшафтів: по особливостях біологічного круговороту (співвідношенню між загальною масою живої речовини й щорічною продукцією).
Усередині груп виділяють типи ландшафтів по щорічній продуктивності живої речовини й швидкості розкладання органічних залишків.
Типи ландшафтів підрозділяють на родини - по певних комбінаціях рослинності й ґрунтів.
Усередині родин виділяють класи - по домінуючим типоморфним елементам водної міграції.
Класи ландшафтів ділять на роди - по особливостях механічної міграції.
Сама нижча таксономічна одиниця - вид. Виділяється за умовами й особливостям міграції хімічних елементів.
Усі існуючі геохімічні ландшафти поєднують в 2 ряди:
1-й - абіогенні ландшафти, у яких провідну роль відіграють фізичні, механічні, хімічні фактори вивітрювання;
2-й - біогенні ландшафти, у яких міграція визначається біологічним круговоротом речовин.
В 1-ому ряді виділяють одну групу - примітивно-пустельні ландшафти,
в 2-ому - три групи: лісові, лугові й степові, тундрові.
Останнім часом на найвищому таксономічному рівні - на рівні ряду – запропоновано виділяти техногенні ландшафти, у яких біологічний круговорот елементів у значній мірі порушений, а визначальний вид міграції - техногенна міграція. Це міські ландшафти, території діяльності промислових підприємств, гірських розробок і т.д.

5. Біогеохімічні функції людини.
Пов'язані з біогенною міграцією атомів, що багаторазово підсилюється впливом діяльності людини й створеної нею техніки.
По розрахунках Ф. Я. Шипунова на витрату, пов'язану з технікою життя, приходиться основна частина сучасної витрати речовини на планеті - приблизно 97%. А це значить, що людина й техніка в принципі здатні змінити всю речовину біосфери, а також і речовину Землі. Розглядаючи із цього погляду діяльність людства в біосфері він виділив ряд найбільш важливих груп біогеохімічних функцій людини: газові, водні, пилові, нафтові, важко металеві, хлорвуглеводневі й легколетючі органічні. Антропогенне надходження речовин у біосферу, пов'язане із перерахованими функціями, становить від частки відсотка до десятків і навіть сотень і тисяч відсотків від природного їхнього надходження. Більше того, у біосфері виникли й такі біогеохімічні функції людини, які в природних її умовах проявлялися незначно або були відсутні зовсім.
Відмінна риса багатьох біогеохімічних функцій людини - їх чужерідність біосфері, тому з ними пов'язана нециклічність антропогенних речовин, що проявляється як їх нерозкладаємість, синергізм, токсичність і, в кінцевому результаті, подавлення природних біогеохімічних функцій живої речовини.









13PAGE 15


13PAGE 141715




15

Приложенные файлы

  • doc 15631506
    Размер файла: 168 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий